基于北斗一代卫星导航系统的用户机实现

原艳宁，崔剑锋

陕西凌云科技有限责任公司，陕西 西安 710119

0 引言

北斗卫星导航系统是我国自主研制的区域性卫星导航通信系统，该系统的建

立对我国国防和经济建设将起到积极作用，使我国能在全球导航卫星系统

（GNSS）中占有一席之地。由于“北斗一号”卫星导航系统具有定位和短信功能，所以尤其适合于特殊，如边远与人口稀少地区、高山密林、内陆水路等特定地区和特殊行业应用。北斗系统的授时功能还能为通信、电力、铁路等网络进行精确授时、校时间同步[1]。由于北斗系统自身的特点和国家的大力支持，可以预见，北斗系统的应用将进入一个快速增长期和爆发期[2]。

1 系统主要功能

1）卫星通讯功能。支持基于北斗一代的民卡应用，可实现双向短报文通讯；

2）卫星定位功能。支持在北斗服务区内全天候定位，具有紧急定位功能；

3）多种协议支持。支持多种协议，并可通过外部指令进行切换；

4）自动零值校准。通过串口设置天线所在点位的54坐标，用户机可自动校准设备零值；

5）北斗时校正功能。外围设备可向北斗终端发送校时指令获取当前北斗标准时间。

2 系统组成

2.1 基本组成

北斗系统主要利用两颗地球同步卫星和一颗在轨备份卫星采用有源定位的方式来测量地球表面和空中的各种用户的位置，并同时兼有双向报文通讯和授时的功能。本文实现的用户机由收发机、天线及高频电缆组成。组成结构如图1所示。

图1 组成结构框图

2.2 工作流程

接收天线振子接收的模拟卫星信号经由低噪声放大器进行放大和滤波，获得较高的增益和较低的噪声系数。前端多工器将接收信号、发射信号以及电源控制信号隔离，送给相应模块处理。经介质双工器的电源控制信号通过电压控制部分控制功放模块的打开与关闭，且通过DC/DC转换芯片提供低噪声放大器的工作所需的电压。发射信号经双工器后进行滤波和放大以弥补在电缆传输过程的信号衰减，然后经功放后送给发射天线振子。

收发机主要完成两部分功能：接收和发射。后端多工器将接收信号、发射信号以及电源信号隔离。收发组件中的接收单元将射频信号经过滤波处理、放大及下变频和AGC控制后输出至AD转换电路部分，由经由AD转换器后的数字中频信号，再由基带信号处理单元对多路数字中频信号进行相关运算和解析，输出通信、定位信息给接口单元，最后由接口单元完成电平转换及对外输出。发射单元产生北斗发射的上行载波信号，并对其进行放大、滤波及BPSK调制来自外部输入的信息。

2.3 用户机结构尺寸及重量

收发机的尺寸 为184mm×155mm×56.5mm，采用4个M4的螺钉直接与载体紧固，重量大约1.4kg。天线的尺寸为φ140mm×h120mm，采用4个M6的螺钉与载体紧固，重量大约1.1kg。

3 遇到的问题及解决措施

3.1 多种信号相互干扰的问题

用户机中上行高频信号、下行高频信号、电源信号和控制信号均通过一根高频电缆传输，信号交叉和串扰比较严重，在设计中将用户机箱体结构设计分为上、下两个腔体，既能有效地减少电磁干扰带来的影响，又能更有效地提高产品的维护性。收发机和天线内部高频部件均采用独立结构，使其具有二次电磁屏蔽功能。有效保证了高频和低频部分、数字和模拟部分的相互独立。

除此之外，在电路设计中充分考虑多种信号相互串扰的问题，在有可能出现信号交叉的地方均进行特殊的设计。

3.2 芯片温度过高的问题

在+55℃环境下，电源芯片LTC3780表面温度过高，导致工作不稳定。在设计时，尽量减少其工作时间，同时考虑到此芯片静态功率较小，靠自身散热基本能保证正常工作，而针对瞬间工作时产生的热量，通过给芯片粘贴散热片的方法来解决。

设备中FPGA芯片工作时发热量也比较大，为了保证工作的可靠性，通过修改腔体结构，用散热片将FPGA与机体相连，达到较快较好的散热效果，并且增加导热橡胶垫，避免硬接触对元件版的损伤。

4 结论

本文给出了基于北斗一代卫星导航系统研发的一种用户机的基本组成及工作流程概况。此型号产品现已批量生产，为水文监测、船舶运输和国土资源调查等方面的综合应用提供了有价值的数据。在此基础上研发的同类产品，也已小批量投入使用。目前，用户对产品性能指标等反应较好。

[1]唐金元，王翠珍，尚新强.“北斗一号”系统与GPS系统的应用比较[J].船用导航雷达，2007，1(1)：1-7.

[2]Jinchen Wei，Dingjie Xu，Jun Deng and Ping Huang.Synchronization for“Beidou” Satellite TerrestrialImprovement Radio Navigation System.Proceedings of the2004 International Conference on Intellgent Mechatrcnicsand Automation.Chengdu，China.August 2004:672-676.